正电子发射断层扫描仪PET中的数据校正常用方法.docx
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1、正电子发射断层扫描仪PET中的数据校正常用方法【摘要】 介绍了正电子发射断层扫描中各种校正的意义及常见算法,这些校正包括归一化校正,衰变校正,散射与衰减校正,活度刻度等。对校正算法的最新进展和PET相关设备中的校正算法也做了些介绍。恰当的校正对提高PET的成象质量及定量分析的准确性非常重要。因此,校正算法是PET设备软件系统中所必不可少的组成部分。【关键词】 PET; 正电子; 校正 Abstract: Various corrections in clinical positron emission tomography (PET) are described, including dete
2、ctors normalization, decay correction, scatter and attenuation correction, calibration, etc. The up to data developments in correction of PET and PET related devises are also introduced. Appropriate corrections are important for PET images with good quality and for quantitative analysis in clinics.
3、PET correction algorithms consist of a necessary part in the software of PET. Key words: PET; positron; correction PET是英文名称Positron Emission Tomography的缩写,即“正电子发射断层扫描仪”。PET是在分子水平上利用影像技术研究人体心脑代谢和受体功能的一种最先进的设备。PET已成为肿瘤、心、脑疾病诊断的一种最有效的方法。在肿瘤学、心血管疾病学、神经系统疾病学、和新医药学开发等研究领域中已经显示出它的卓越性能。PET是核医学领域中最先进的医疗诊断设备,
4、是目前唯一可以在活体分子水平上完成生物学显示的影像技术,被誉为20世纪最伟大的十项发明之一。目前PET已经被广泛应用于核医学成像临床检查、疗效评价、药物开发和基础研究之中1。 引言 PET系统由机械系统,探测器环,电子线路,数据采集与处理系统和计算机系统,以及相应的图像重建和图像处理软件系统等构成2,见图1。PET利用其封闭环绕型探测器阵列对注入人体药物所引发的背对背的一对光子进行符合测量,利用计算机对符合测量形成投影线LOR进行图像重建可求解出人体内部横断面放射性分布。但由于PET设备和测量过程存在误差,在日常使用中,采集到的原始数据在图象重建之前要根据仪器状况和病人状况进行校正。此外,PE
5、T是复杂精密的大型医用诊断设备,定期要做性能测试和标定,不断更新校正参数以确保系统处于良好的工作状态。 本文概述了PET中常用的数据校正方法,主要是2D校正方法,包括:探测器灵敏度校正,同位素时间衰变校正,死时间校正,偶然符合校正,散射符合校正,衰减校正,几何校正及其他校正等。它们的顺序为图2。 1 各种校正的意义及常用方法*2 探测器效率的归一化 PET中有成千上万个探测单元,受其各自几何位置和性能差异的影响,例如晶体条发光效率、晶体条与光电倍增管的耦合、晶体条对符合线的张角不同等,使其探测效率不尽一致。其校正方法是利用均匀分布的放射源,测量每个测量单元的计数响应Di,i=1,M, M是PE
6、T探测单元总数,算出归一化因子: NOPMi=Mi=1Di/MDi。这些因子以文件方式存于计算机,在对病人进行PET测量时,将测量值乘以相应归一化因子就实现了探测器效率校正。另外,由每天质控的空扫描检测探测器性能的漂移情况,必要时更新校正系数。 同位素时间衰变校正 正电子类核素的寿命都非常短,放射性衰变会使药物的强度随指数规律逐渐降低。特别是对于动态采集、全身扫描、门控采集和定量研究则必须考虑该项校正。根据指数衰变规律,注射时放射性强度为A0、衰变系数为 的药物经过时间t1采集到某一帧的时候,放射性强度下降到A(t)=A0e-t1,据此,不难通过采集时刻的计数率求出注射时刻的药物强度。把et1
7、作为刻度因子乘以该帧各个像素的计数值,就能将图象归一到注射时刻的情况。至于每一帧之间的差别,如果各帧的采集时间比药物的半衰期短,则可以忽略在每帧采集过程中放射性强度的变化。但在计算标准摄取值时,需根据帧采集周期的大小将计数率校正到药物注射时刻1。 死时间校正 系统的死时间是指系统处理每个事件所需的时间,它取决于探测器与电子学的时间特性以及数据处理器的速度、随机缓存器的性能等诸多因素。如果在后一个湮灭事件发生之前来不及处理完前一个事件,这两个事件就会丢失,这就是死时间损失。PET出厂前都要进行死时间损失测量:根据测量结果画出计数率药物强度曲线,如图3所示。图2 临床PET数据校正的顺序图 图3
8、计数率药物强度曲线 在强度低的时候,计数率随药物强度正比增加,呈直线上升,当药物强度增加到某一限度后,曲线逐渐弯曲,它与直线的距离就是丢失的计数率,可以据此计算与记录校正参数以便进行死时间校正。死时间校正是有范围的,例如当上述曲线随药物强度呈下降趋势时,无法再进行校正。事实上有效评估PET计数特性的是噪声等效计数。NEC定义为在无散射和偶然符合计数条件下达到同样的信噪比所需的真符合计数3,由于散射和偶然符合的存在,使NEC先于计数率而饱和,因此要注意死时间校正的有效范围。 偶然符合校正 是指两个或两个以上没有关联的光子被同时探测到而造成的符合计数,也叫随机符合,见图4,它与活度的平方成反比,它
9、增加图象的噪声,影响图象的对比度。偶然符合校正硬件方法是使用延迟符合电路。只要延迟时间大于两倍的符合电路时间窗宽度,就能保证该符合电路输出中没有真的湮灭符合事件而只有偶然符合计数,然后再从总计数中减去。该方法简明有效、实时在线、速度快,易于实现,商用PET多采用这种方法。 图4 偶然符合与散射符合形成的示意图 偶然符合校正软件方法:用公式NAC=2N1N2估计偶然符合计数率,然后在总符合计数率扣除,其中N1和N2分别是参与符合的两个探测单元的单事例计数率, 是符合时间窗宽。 散射符合校正 散射符合:主要是指组织中正电子湮灭产生的两个光子在到达探测器之前其中之一或全部发生了康普顿散射而偏移了原来
10、的运行轨迹,且无法用能量窗方法有效去除,造成错误的符合信息。散射符合影响图象的对比度。散射校正有多种硬件与软件的校正方法,如双能量窗法,三能量窗法、卷积扣除法、人工神经网络法、MONTE CARLO.模拟法等。 卷积扣除法假设投影空间的散射符合分布可以通过真实符合分布的积分变换来近似表述。这种积分变换的核函数一般以指数分布函数或者高斯分布函数的形式出现。如果以T表示真实符合,S表示散射符合,R表示实际测量的符合分布,则在投影空间S=Th,因此真实符合就可以通过下式近似求取:T=R-SR-Rh,或采用反卷积方法更精确地求解。核函数h的求取一般采用实验测量加函数拟合的方式。具体作法是用线源或点源放
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